Магнитный накопитель энергии, высоковольтная система и система передачи электрической энергии

1 Область техники Изобретение относится к сверхпроводниковому магнитному накопителю энергии типа накопителя, содержащего катушку, последовательно соединенную с источником напряжения,например источником напряжения постоянного тока, причем катушка навита из сверхпроводящего провода, имеющего слой из сверхпроводящего средства, которое при работе находится при криогенных температурах ниже его критической температуры (Тс) и окружено электрической изоляцией, и выключательное устройство для короткого замыкания катушки. Хотя изобретение, в первую очередь, относится к высокотемпературным сверхпроводящим проводникам, изобретение также применимо и к низкотемпературным сверхпроводящим проводникам в случае сильного магнитного поля в магнитном накопителе энергии . Предпосылки изобретения Концепция сверхпроводникового магнитного накопителя энергии хорошо известна. Принцип работы сверхпроводникового магнитного накопителя энергии заключается в том, что энергия накапливается в форме магнитной энергии в катушке, имеющей индуктивность L, причем количество накапливаемой энергии 1/2.L.I2,где I - это постоянный ток. Индуктивность L катушки определяется известным отношением:L=(orN2A):l,-7 где о=4 х 10 As/Vm,r - это магнитная проницаемость материала в магнитной цепи соленоида (которая равна 1 для воздуха и около 10000 или выше для ориентированной листовой стали, при этом обеспечиваемая магнитная индукция В поля достаточно низка),N - это количество витков,А - это площадь поперечного сечения иl - это длина катушки. Поскольку магнитная энергия Е, накапливаемая в сверхпроводниковом магнитном накопителе энергии, равна E=1/2.L.I2, очевидно, что как ток, так и индуктивность следует доводить до максимума. Максимальный ток задан свойствами сверхпроводника при заданных температуре, магнитном поле и плотности тока. Индуктивность могла бы доводиться до максимума путем использования магнитного материала в магнитной цепи, имеющей высокую магнитную проницаемость. К сожалению, не существует известных материалов, имеющих высокую магнитную проницаемость при высоких значениях магнитной индукции поля. Фактически, при В около 2 Т, даже лучшие материалы доходят до насыщения и, кроме того, в районе насыщения радикально увеличиваются потери в сердечнике (гистерезис и вихревые токи). Если магнитные моменты материала правильно выровнены, теоретически возможно дос 002609 2 тижение максимальной магнитной индукции поля, составляющей 2,12 Т для железа. Благодаря сильным токам в сверхпроводниках значения магнитной индукции поля также высоки, фактически, плотности, составляющие 5 Т и более, не являются исключительными. Таким образом,магнитный материал не должен включаться в магнитную цепь, по меньшей мере, не в районах с высоким значением В. В целом, значение r в таком случае равно 1. Индуктивность может также увеличиваться выбором высокого числа витков N. Если соленоид навит, то плотность обмотки, то есть число витков на единицу длины, определяется площадью поперечного сечения проводника и его изоляцией. Отношение площади поперечного сечения к длине также является важным параметром для индуктивности. Цели следовало бы достичь при помощи большого поперечного сечения и малой длины катушки. Таким образом, часто конструируют плоскоспиральные или дисковые обмотки в качестве предпочтительной катушки для получения высоких значений индуктивности. Сверхпроводниковые магнитные накопители энергии имеют высокую эффективность и высокую плотность энергии в сравнении с другими системами для накопления энергии. Сверхпроводниковые магнитные накопители энергии могут быстро реагировать на потребности в накоплении или разряде. В дополнение к этому, сверхпроводниковые магнитные накопители энергии могут использоваться не только для выравнивания нагрузки, но также для поддержания заданной нагрузки, для реверсирования вращения, для стабилизации переходного режима и для демпфирования синхронного резонанса. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии может не только обеспечивать экономию энергии, но также большую свободу работы энергетической системы. Обычно сверхпроводниковые магнитные накопители энергии создаются для накопления энергии до около 1 мВт, но существует потребность в сверхпроводниковых магнитных накопителях энергии с большей способностью накопления энергии. Существующие решения для создания больших сверхпроводниковых магнитных накопителей энергии приводят к увеличению габаритов оборудования и использованию множества фидеров, подключенных к различным передающим системам. Обычные сверхпроводниковые магнитные накопители энергии работают с источником сильного тока низкого напряжения. При использовании в энергосистеме переменного тока может применяться преобразователь переменного тока в постоянный ток для преобразования энергии на входе и на выходе сверхпроводникового магнитного накопителя энергии. Работа сверхпроводниковых магнитных накопителей 3 энергии, подключенных к энергосистемам, будет требовать включения в систему трансформатора. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии обычно выполнен в виде катушки. Для доведения до максимума накопительной способности индуктивность должна быть как можно большей. Таким образом, сверхпроводник навивается в дисковую катушку, например фоновую катушку на 4 Т для сверхпроводникового магнитного накопителя энергии, описанную в публикации "Design and construction of the 4 Т background coil for navy SMES cable test apparatus" в издании IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity, том 7,2, июнь 1997 г. Сверхпроводниковые магнитные накопители энергии обычно подключаются к напряжениям до около 500 В и токам около 1000 А. Большой сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии для 30 мВт описан в издании IEEE Transactions on Applied Superconductivity, том 7,2, июнь 1997 г. в статье "QuenchCryostable SMES" и включает катушку, собранную из множества двойных дисковых структур. Применение этого сверхпроводникового магнитного накопителя энергии требует разряда высокой мощности, и необходимое рабочее напряжение достигает 3,4 кВ. Другим способом накопления магнитной энергии может быть способ намотки проводника непосредственно в форме соленоида. Пример испытательной катушки описан в публикации"Design, manufacturing and cold test of superconducting coil and its cryostat for SMES applications" в издании IEEE Transactions on Applied Superconductivity, том 7,2, июнь 1997 г., где соленоид состоит из проводника из NbTi с 4500 витками, 30 слоями и внутренним радиусом обмотки, составляющим 120 мм. Краткое описание изобретения Задачей настоящего изобретения является получение высоковольтной системы, содержащей сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии, где сверхпроводящие проводники сверхпроводникового магнитного накопителя энергии изолированы от высокого напряжения,а изоляция расположена концентрически вокруг проводников. Согласно одному аспекту настоящего изобретения получение сверхпроводникового магнитного накопителя энергии указанного типа обеспечивается тем, что указанная электрическая изоляция содержит внутренний слой из полупроводящего материала, имеющий электрическое соединение с указанным сверхпроводящим средством, наружный слой полупроводящего материала с регулируемым электрическим потенциалом, например потенциалом заземления по его длине, и промежуточный слой массивного материала, обеспечивающего элек 002609 4 трическую изоляцию, расположенный между указанными внутренним и наружным слоями. В этом описании термин "полупроводящий материал" означает материал, который имеет значительно меньшую проводимость, чем электрический проводник, но который не имеет такой низкой проводимости, как у электрического изолятора. Соответствует требованиям, но не является исключением "полупроводящий материал", который должен иметь объемное удельное сопротивление от 1-105 Омсм, предпочтительно от 1-103 Омсм, более предпочтительно 10-500 Омсм и наиболее предпочтительно 10100 Омсм, типично 20 Омcм. Настоящее изобретение не ограничивается высокотемпературной сверхпроводимостью. Вследствие сильного магнитного поля в магнитном накопителе энергии низкотемпературные сверхпроводники все же привлекательны,даже если они требуют использования криостатов, работающих в диапазоне 1-15 К, в зависимости от типа используемого низкотемпературного полупроводника. Хорошо известные примеры основаны на ниобии, ими являются NbTi,Nb3Sn и Nb3Al. Другими примерами являютсяV3Ga и Nb3Ge. Наиболее распространенным сверхпроводником является NbTi, который может использоваться с плотностями магнитного поля, достигающими приблизительно 9 Т при 4,2 К (или 11 Т при 1,8 К). Для более высоких плотностей поля NbTi использоваться не может и заменяeтся на Nb3Sn. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии, соответствующий изобретению,выполнен из проводников, подобных проводам,которые могут производиться согласно обычной технологии производства провода. Применяемая изоляция такова, что она может выдерживать высокие напряжения в пределах 1 кВ и выше, вплоть до напряжений, используемых для передачи высоковольтного постоянного тока. Изобретение предлагает высоковольтную систему, содержащую сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии может подключаться к высоковольтной энергосистеме. Это означает, что может осуществляться поддержание заданной нагрузки в передающей или распределительной сети и не только для специфического использования под пониженным напряжением, как в случае со сверхпроводниковыми магнитными накопителями энергии в настоящее время. Это открывает возможности использовать сверхпроводниковые магнитные накопители энергии для плавных изменений нагрузки в высоковольтной сети на основе колебаний "день-ночь" или "восток-запад". Кроме того, сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии может быть способным к сбросу больших количеств энергии в систему в течение короткого периода времени, то есть к сбросу 5 большого количества реальной мощности, которая позволит хорошо регулировать систему. Настоящее изобретение предлагает высоковольтную систему, содержащую сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии,который может непосредственно подключаться к высокому напряжению, составляющему до 800 кВ и даже выше без необходимости в понижении напряжения. Это может достигаться изолированием сверхпроводящего средства изолирующей системой, которая может выдерживать высокие напряжения. Такие изолирующие системы известны, например, по системам передачи постоянного тока высокого напряжения. Особым преимуществом настоящего изобретения является то, что, поскольку сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии работает под высоким напряжением, ток может понижаться до получения заданной плотности энергии. Таким образом, только для примера,если обычный сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии работает под напряжением 20 кВ, сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии, питаемый подобной мощностью и соответствующий настоящему изобретению,может работать под напряжением около 150 кВ благодаря уменьшению тока приблизительно в 7,5 раз. Поскольку сила магнитного поля в проводе пропорциональна силе тока, умноженной на магнитную индукцию поля (В), сила магнитного поля эффективно уменьшается приблизительно в 7,5 раз. Кроме того, количество затраченного полупроводника будет в этом случае уменьшено приблизительно в 7,5 раз. Подобно этому, будут существенно уменьшены потери на охлаждение. Все эти факторы повышают экономическую привлекательность сверхпроводникового магнитного накопителя энергии. Другим преимуществом сверхпроводникового магнитного накопителя энергии, работающего под высокими напряжениями, является то,что заряд и разряд могут быть быстрыми. Обычно это очень экономит время для заряда,по меньшей мере, больших сверхпроводниковых магнитных накопителей энергии, и благодаря возможности подключения сверхпроводникового магнитного накопителя энергии к высокому напряжению время заряда может существенно уменьшаться. Кроме того, мощность,которая может подаваться от сверхпроводникового магнитного накопителя энергии, увеличивается благодаря повышению напряжения в сверхпроводниковом магнитном накопителе энергии. Другим преимуществом является то, что сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии может устанавливаться вблизи большой станции для генерирования энергии, такой как атомная электростанция. При быстрой остановке атомной электростанции в энергосистеме возникают большие деформации. Они могут быть эффективно сглажены сверхпроводнико 002609 6 вым магнитным накопителем энергии, который способен сбрасывать соответствующую мощность в систему и затем позволяет плавно понижать мощность. Еще одно преимущество высоковольтного сверхпроводникового магнитного накопителя энергии заключается в том, что нет необходимости в использовании трансформатора для преобразования мощности на входеи выходе сверхпроводникового магнитного накопителя энергии. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии может непосредственно подключаться к передающей или распределительной сети без промежуточных повышающих трансформаторов. Исключение трансформаторов из системы приводит к повышению коэффициента полезного действия системы. Характеристики системы со сверхпроводниковым магнитным накопителем энергии будут значительно повышены благодаря возможности подключать сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии непосредственно к энергосети и благодаря повышению эффективности, создаваемому исключением из системы ряда компонентов. Еще одним преимуществом является то,что сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии полностью электрически изолирован таким образом, что вокруг сверхпроводящего провода не существует электрического поля. Это облегчает механическую конструкцию,удерживающую провода. Можно укрупнять сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии с меньшими проблемами, связанными с механической устойчивостью сверхпроводникового магнитного накопителя энергии. Другим преимуществом сверхпроводникового магнитного накопителя энергии с высоковольтной изоляцией является то, что появление разрядов, которые обычно возникают в электрической системе, предотвращается изолирующей системой, и риск формирования пузырей в хладагенте, таким образом, уменьшается. Благодаря подключению катушки непосредственно к источнику постоянного тока высокого напряжения, например к высоковольтному преобразователю переменного тока в постоянный ток, заряд и разряд катушки упрощается. В частности, в передающей энергосистеме переменного тока необходимость в понижении напряжения переменного тока перед подключением к преобразователю переменного тока в постоянный ток исключается. Благодаря поддержанию полупроводящего наружного слоя с управляемым электрическим потенциалом, например потенциалом земли или заземления по его длине, например, через разнесенные друг от друга интервалы по его длине, электрическое поле, генерируемое сверхпроводящим средством, содержится внутри электрической изоляции. 7 Преимущественно, катушка и выключательное средство заключены внутрь криостата для поддержания температуры сверхпроводящего средства под температурой, которая ниже его критической температуры (Тс). В альтернативном варианте или дополнительно сверхпроводящее средство может охлаждаться изнутри криогенной жидкостью, например жидким азотом, и иметь наружную тепловую изоляцию. Например, тепловая изоляция может удобно размещаться между сверхпроводящим средством и окружающей электрической изоляцией. В некоторых случаях электрическая изоляция может также действовать как тепловая изоляция. Благодаря использованию в качестве промежуточного слоя только материалов, которые могут производиться с малыми (если они вообще есть) дефектами и благодаря образованию промежуточного слоя с отнесенными друг от друга внутренним и наружным слоями полупроводникового материала, имеющего подобные тепловые свойства, тепловые и электрические нагрузки внутри изоляции уменьшаются. В частности, изолирующий промежуточный слой и полупроводящие внутренний и наружный слои должны иметь, по меньшей мере, по существу,одинаковые коэффициенты теплового расширениятак, чтобы не возникали дефекты, вызванные разными тепловыми расширениями,когда слои подвергаются нагреву или охлаждению. В идеале, электрическая изоляция имеет,по существу, унитарную конструкцию. Слои изоляции могут находиться в плотном механическом контакте, но предпочтительно, чтобы они были соединены или объединены друг с другом. Предпочтительно, например, чтобы радиально примыкающие друг к другу слои были отпрессованы совместно вокруг сверхпроводящего средства. Сверхпроводящий проводник,гибкий при нормальных температурах окружающей среды, таким образом, может изгибаться или гнуться в необходимую конфигурацию обмотки до его работы при криогенных температурах. Преимущественно, обеспечивающий электрическую изоляцию промежуточный слой содержит массивный термопластический материал, такой как полиэтилен низкой или высокой плотности, полипропилен, полибутилен, полиметилпентен, сополимер этилена (этила) и акриловой кислоты, сшитые материалы, такие как сетчатый полиэтилен, или каучуковая изоляция,такая как из этиленпропиленового каучука или кремнийорганического каучука. Полупроводящие внутренний и наружный слои могут содержать материал, подобный материалу промежуточного слоя, но с проводящими частицами,такими как частицы углеродной сажи, сажи или металлические частицы, заделанные в него. В целом, было обнаружено, что конкретный изолирующий материал, такой как этиленпропиленовый каучук, имеет подобные механические 8 качества, когда не содержит или содержит некоторое количество частиц углерода. Экраны из полупроводящих внутреннего и наружного слоев формируют, по существу, эквипотенциальные поверхности изнутри и снаружи от изолирующего промежуточного слоя таким образом, что электрическое поле, в случае с концентрическими полупроводящими и изолирующими слоями, является, по существу, радиальным и заключено внутри промежуточного слоя. В частности, полупроводящий внутренний слой расположен так, что он находится в электрическом контакте со сверхпроводящим средством, которое он окружает, и имеет такой же потенциал. Полупроводящий наружный слой предназначен для действия в качестве экрана для предотвращения потерь, вызванных наведенными напряжениями. Наведенные напряжения могли бы уменьшаться за счет увеличения сопротивления наружного слоя. Поскольку толщина полупроводящего слоя не может быть уменьшена меньше определенной минимальной толщины, сопротивление может быть уменьшено только подбором материала для слоя, имеющего более высокое удельное сопротивление. Однако если электрическое удельное сопротивление полупроводящего наружного слоя слишком велико, потенциал напряжения между соседними разнесенными друг от друга точками с регулируемым потенциалом, например потенциалом заземления, будут становиться достаточно высокими для возникновения риска получения коронного разряда и, вследствие этого,эрозии изолирующего и полупроводящего слоев. Полупроводящий наружный слой, таким образом, является компромиссом между проводником, который имеет низкое сопротивление и высокие потери от наведенного напряжения,но который легко соединяется с регулируемым электрическим потенциалом, как правило, потенциалом земли или заземления, и изолятором,который имеет высокое сопротивление и низкие потери от наведенного напряжения, но который требует соединения с регулируемым электрическим потенциалом по его длине. Таким образом,электрическое удельное сопротивление s полупроводящего наружного слоя должно быть в пределах minsmax, где min определяется допустимыми потерями энергии, вызванными потерями на вихревые токи и потерями в активном сопротивлении, вызванными напряжениями, наведенными магнитным потоком, и max определяется требованием недопущения возникновения коронного разряда или тлеющего разряда. Если полупроводящий наружный слой заземлен или подключен к какому-то другому регулируемому электрическому потенциалу через разнесенные интервалы по его длине, нет необходимости в наружной металлической оболочке и защитной оболочке, окружающих на 9 ружный слой. Диаметр провода, таким образом,уменьшается, допуская получение большего количества витков при заданных размерах обмотки. Электрическая изоляция может прессоваться поверх сверхпроводящего средства, или может использоваться концепция наложения изоляции. Такая изоляция может включать как полупроводящие слои, так и слои, обеспечивающие электрическую изоляцию. Изоляция может выполняться из чисто синтетической пленки с внутренним и наружным полупроводящими слоями, выполненными из тонкой полимерной пленки, например из полипропилена,полиэтилентерефталата, полиэтилена низкой плотности или полиэтилена высокой плотности с заделанными проводящими частицами, такими как частицы углеродной сажи или металлические частицы. Для концепции наложения изоляции достаточно тонкая пленка будет иметь стыковые зазоры, которые меньше так называемого минимума Пашена, и, таким образом, жидкая пропитка становится ненужной. Сухая намотанная многослойная изоляция из тонкой пленки имеет также хорошие тепловые характеристики и может комбинироваться со сверхпроводящей трубкой как электрическим проводником с хладагентом, таким как жидкий азот, прокачиваемым по трубке. Другой вариант системы электрической изоляции подобен обычной изоляции провода,основанной на целлюлозе, где бумага на основе целлюлозы, или синтетическая бумага, или нетканый материал намотаны с наложением вокруг проводника. В этом случае, полупроводящие слои могут выполняться из целлюлозной бумаги или нетканого материала, изготовленного из волокон изолирующего материала, и с заделанными проводящими частицами. Изолирующий слой может изготовляться из такого же базового материала, или может использоваться другой материал. Другой вариант получают комбинированием пленки и волокнистого изолирующего материала либо в форме слоев, либо с взаимным наложением. Примером такой изолирующей системы является коммерчески доступный так называемый ламинат из бумаги и полипропилена,но возможны и несколько других комбинаций частей из пленки и волокна. В этих системах могут использоваться различные пропитки, такие как минеральное масло или жидкий азот. Сверхпроводящее средство может содержать низкотемпературные полупроводники, но наиболее предпочтительно содержит высокотемпературные сверхпроводящие материалы,например высокотемпературные сверхпроводящие провода или ленту, спирально намотанную на внутреннюю трубку. Высокотемпературная сверхпроводящая лента преимущественно содержит покрытые серебром проводникиBSCCO-2212 или BSCCO-2223 (где номера обозначают количество атомов каждого элемента в молекуле [Bi, Pb]2 Sr2 Ca2 Сu3 Ох), и далее такие высокотемпературные сверхпроводящие ленты будут здесь называться "лента (ленты) BSCCO". Ленты BSCCO производят путем заключения тонких нитей накаливания из оксидного сверхпроводника в матрицу из серебра или окиси серебра всасыванием порошка в трубку, прокаткой, спеканием и прокаткой. В альтернативном варианте, ленты могут формироваться способом нанесения на поверхность. В обоих случаях окись плавят и повторно отверждают в качестве заключительной операции обработки. Другие высокотемпературные сверхпроводящие ленты,такие как TiBaCaCuO (TBCCO-1223) и YbaCuO(YBCO-123), производились при помощи техники нанесения на поверхность или осаждения на поверхность. В идеале, высокотемпературный сверхпроводящий провод должен иметь плотность тока свыше jc105 Асм-2 при рабочих температурах от 65 К, но предпочтительно свыше 77 К. Коэффициент заполнения высокотемпературного сверхпроводника в матрице должен быть так высок, чтобы расчетная плотность тока je104 Асм-2. jc не должна радикально понижаться при приложении поля в пределах Тесла. Спирально намотанная высокотемпературная сверхпроводящая лента охлаждается до температуры ниже критической температуры Тc высокотемпературного сверхпроводника охлаждающей жидкостью, предпочтительно жидким азотом, проходящим через внутреннюю опорную трубку. Криостатный слой может располагаться вокруг спирально намотанной высокотемпературной сверхпроводящей ленты для получения тепловой изоляции охлажденной высокотемпературной ленты от материала, обеспечивающего электрическую изоляцию. В альтернативном варианте, однако, можно обходиться без криостата. В этом последнем случае, материал, обеспечивающий электрическую изоляцию, может наноситься непосредственно поверх сверхпроводящего средства. В альтернативном варианте может создаваться пространство между сверхпроводящим средством и окружающим изолирующим материалом, причем пространство может быть либо пустым пространством, либо пространством, заполненным сжимаемым материалом, таким как в высокой степени сжимаемый пенистый материал. Пространство уменьшает силы расширения/сжатия, воздействующие на изоляционную систему при нагреве от криогенных температур/охлаждении до криогенных температур. Если пространство заполнено сжимаемым материалом, последний может выполняться в полупроводящем варианте для обеспечения электрического контакта между полупроводящим внутренним слоем и сверхпроводящим средством. 11 Возможны другие конструкции сверхпроводящего средства, при этом изобретение ориентировано на обмотки трансформатора, сформированные из сверхпроводящих проводов любой пригодной конструкции, имеющих окружающую электрическую изоляцию описанного выше типа. Например, другие типы сверхпроводящих средств могут содержать, в дополнение к охлаждаемому изнутри высокотемпературному сверхпроводящему материалу, охлаждаемый снаружи высокотемпературный сверхпроводящий материал или охлаждаемый снаружи и изнутри высокотемпературный сверхпроводящий материал. В последнем типе высокотемпературного сверхпроводящего провода пара концентрических высокотемпературных сверхпроводящих проводников, разделенных криогенной изоляцией и охлаждаемых жидким азотом, используется для передачи электроэнергии. Наружный проводник действует как обратный путь, и оба высокотемпературных сверхпроводящих проводника могут формироваться одним или многими слоями высокотемпературной сверхпроводящей ленты для несения требуемого тока. Внутренний проводник может содержать высокотемпературную сверхпроводящую ленту, намотанную на трубчатое основание, в котором проходит жидкий азот. Наружный проводник охлаждается снаружи жидким азотом, и вся сборка может окружаться криостатом, обеспечивающим тепловую изоляцию. Согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечивается получение системы передачи электроэнергии, отличающейся тем,что сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии согласно одному указанному аспекту подключается к высоковольтному источнику, предпочтительно к источнику постоянного тока высокого напряжения. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии может быть в форме провода и предпочтительно провода с высокой индуктивностью. Электрическая изоляция провода может выполняться из проводящей ленты или шины с несколькими слоями, причем все слои намотаны в одном направлении в отличие от обычного наматывания слоев в противоположных направлениях, чтобы компенсировать индукцию. Такой провод с отпрессованной изоляционной системой мог бы непосредственно включаться в линию передачи, например, в качестве одной линии двухполюсной системы постоянного тока. Также можно использовать такой провод для выполнения соленоида с высокой индуктивностью. Изобретение, как здесь описано, может также использоваться с обычными низкотемпературными сверхпроводящими материалами и с хладагентами, такими как жидкий гелий. Также можно использовать изобретение с источником переменного тока. При применении 12 сверхпроводникового магнитного накопителя энергии с переменным током потери увеличиваются, но если потери допустимы для создаваемой системы, принцип изобретения может применяться. Краткое описание чертежей Варианты осуществления изобретения теперь будут описаны только в качестве примера,с конкретными ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает принципиальную схему сверхпроводникового магнитного накопителя энергии, соответствующего настоящему изобретению; фиг. 2 изображает схематический вид в сечении в увеличенном масштабе части варианта выполнения высокотемпературного сверхпроводящего провода, из которого навивается катушка сверхпроводникового магнитного накопителя энергии, показанного на фиг. 1; фиг. 3 изображает схематический вид в сечении в увеличенном масштабе другого варианта выполнения высокотемпературного сверхпроводящего провода, из которого может навиваться катушка сверхпроводникового магнитного накопителя энергии, показанного на фиг. 1; фиг. 4 изображает схематический вид двух высоковольтных сетей переменного тока, соединенных через высоковольтную сеть постоянного тока и включающих сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии на стороне постоянного тока; фиг. 5 изображает схематический вид сверхпроводникового магнитного накопителя энергии, включенного в высоковольтную сеть постоянного тока; и фиг. 6 изображает схематический вид двух преобразовательных станций с преобразователями источника напряжения, комбинированных с высоковольтной биполярной связью постоянного тока. Фиг. 1 изображает катушку 1, имеющую индуктивность L и сформированную из высокотемпературного (Тс) сверхпроводящего провода 12 (см. фиг. 2), которая соединена с высоковольтным источником 2 постоянного тока, например, стороной постоянного тока высоковольтного преобразователя переменного тока в постоянный ток, соединенного с линией электропередачи переменного тока. Выключатель 3 параллельно соединен с высоковольтным источником 2 постоянного тока и применяется для короткого замыкания катушки 1. Когда катушка 1 подключена к высоковольтному источнику 2 постоянного тока, постоянный ток I заряжает катушку. Вследствие высокой плотности тока в сверхпроводящем проводе и фактически нулевого сопротивления энергия накапливается простым замыканием выключателя 3 и коротким замыканием катушки. Энергия в катушке накапливается в виде магнитной энергии, имеющей значение 1/2.L/I2. 13 Катушка 1, таким образом, способна сохранять электрическую энергию и выдавать электрическую мощность с быстрой скоростью, когда требуется в моменты пикового потребления. Сверхпроводящий провод 12, из которого сформирована катушка 1, содержит внутреннее трубчатое основание 13, например, из меди или в высокой степени резистивного металла, такого как сплав меди и никеля, на котором спирально намотан удлиненный высокотемпературныйBSCCO или ей подобная, для формирования сверхпроводящего слоя 14 вокруг трубчатого основания 13. Криостат 15, расположенный снаружи от сверхпроводящего слоя, содержит две отнесенные друг от друга гибкие гофрированные металлические трубки 16 и 17. Пространство между трубками 16 и 17 поддерживается в состоянии вакуума и содержит мощную тепловую изоляцию 18. Жидкий азот или другая охлаждающая жидкость проходит в трубчатом основании 13 для охлаждения окружающего сверхпроводящего слоя 14 до температуры, которая ниже критической температуры Тc свeрхпроводимости. Трубчатое основание 13,сверхпроводящий слой 14 и криостат 15 совместно составляют сверхпроводящее средство провода 12. Массивная электрическая изоляция, например из пластмассового материала, расположена снаружи от сверхпроводящего средства. Электрическая изоляция содержит внутренний полупроводящий слой 20, наружный полупроводящий слой 21 и проложенный между этими полупроводящими слоями изолирующий слой 22. Слои 20-22 предпочтительно содержат термопластические материалы, обеспечивающие получение, по существу, унитарной конструкции. Слои могут быть в плотном механическом контакте друг с другом, но предпочтительно они как единое целое соединены друг с другом их поверхностями контакта. Преимущественно эти термопластические материалы имеют подобные коэффициенты теплового расширения и предпочтительно отпрессованы совместно вокруг внутреннего сверхпроводящего средства. Электрическая изоляция имеет напряженность электрического поля не более 0,2 кВ/мм. Только в качестве примера, массивный изолирующий слой 22 может содержать сетчатый полиэтилен. Однако в альтернативном варианте массивный изолирующий слой может содержать другие сшитые материалы, полиэтилен низкой плотности, полиэтилен высокой плотности, полипропилен, полиметилпентен,сополимер этилена (этила) и акриловой кислоты, или каучуковую изоляцию, такую как из этиленпропиленового каучука, этиленпропилендиенового мономера или кремнийорганического каучука. Полупроводящий материал внутреннего и наружного слоев 20 и 21 может содержать, например, основной полимер из мате 002609 14 риала, подобного материалу массивного изолирующего слоя 22, и имеющие высокую проводимость частицы, например частицы углеродной сажи или металлические частицы, заделанные в основной полимер. Удельное объемное сопротивление этих полупроводящих слоев, как правило, составляющее 20 Омсм, может регулироваться как необходимо путем изменения типа и пропорции углеродной сажи, добавленной в основной полимер. Ниже дан пример способа, которым удельное сопротивление может изменяться с использованием разных типов и количеств углеродной сажи. Основной полимер Сополимер этилена и винилацетата/нитритный каучук Сополимер этилена и винилацетата/нитритный каучук Сополимер этилена и винилацетата/нитритный каучук Сополимер этилена и винилацетата/нитритный каучук Полиэтилен с привитым бутилом Сополимер этилена и бутилакрилата Углеродная сажа типа ЕС Углеродная сажа типа Р Углеродная сажа высшей проводимости типа I Углеродная сажа высшей проводимости типа II-"Ацетиленовая углеродная сажа Углеродная сажа типа Р Углеродная сажа высшей проводимости Наружный полупроводящий слой 21 соединен с необходимым регулируемым электрическим потенциалом, например потенциалом заземления, в разнесенных друг от друга районах по его длине, при этом конкретное разнесение соседних точек с регулируемым потенциалом или с заземлением зависит от электрического удельного сопротивления слоя 21. Полупроводящий слой 21 действует как статический экран, и благодаря регулированию электрического потенциала наружного слоя,например, до потенциала заземления обеспечивается то, что электрическое поле сверхпроводящего провода удерживается внутри массивной изоляции между полупроводящими слоями 20 и 21. Потери, вызванные наведенными напряжениями в слое 21, уменьшаются путем увеличения сопротивления слоя 21. Однако, поскольку слой 21 должен иметь, по меньшей мере, некоторую минимальную толщину, например менее 0,8 мм, сопротивление может увеличиваться только подбором материала слоя, 15 имеющего относительно высокое электрическое удельное сопротивление. Однако электрическое удельное сопротивление не может быть увеличено слишком сильно, иначе напряжение в слое 21 в середине между двумя соседними точками заземления будет слишком высоким со связанным с этим риском возникновения коронных разрядов. Вместо внутреннего криогенного охлаждения высокотемпературного сверхпроводящего провода 12 или в дополнение к нему, катушка 1 и выключатель 3 могут заключаться в криостат 6 (показан схематически прерывистыми линиями на фиг. 1) для поддержания температуры катушки 1 ниже критической температуры сверхпроводящего средства. В этом случае нет необходимости включать обеспечивающий тепловую изоляцию криостат 15 в высокотемпературный сверхпроводящий провод, описанный выше со ссылками на фиг. 2. Фиг. 3 изображает типичную конструкцию провода, не имеющего криостата 15. В этом случае электрическую изоляцию, обеспечиваемую слоями 20-22, прессуют непосредственно поверх сверхпроводящего слоя 14, намотанного на трубчатое основание 13. Хотя это не показано, между электрической изоляцией и слоем 14 может быть образован кольцевой зазор для компенсации разности в тепловом расширении/сжатии электрической изоляции и слоя 14. Этот кольцевой зазор мог бы быть пустым пространством или мог бы заполняться сжимаемым материалом, таким как сильно сжимаемый пенистый материал. Если такой кольцевой зазор применен, полупроводящий внутренний слой 20 предпочтительно помещают в положение электрического контакта со сверхпроводящим слоем 14. Например, если сжимаемый пенистый материал включен в кольцевой зазор, пенистый материал может выполняться как полупроводящий. Фиг. 4 изображает высоковольтную систему, содержащую две высоковольтные сети переменного тока N1 и N2, в которой TIY и T2Y это преобразующие трансформаторы, имеющие связь Y/Y, и T1D и T2D - это преобразующие трансформаторы, имеющие связь Y/D. SCR11,SCR12, SCR21 и SCR22 - это соединенные последовательно в мостовой схеме шестиимпульсные преобразователи с сетевой коммутацией. Преобразователи SCR11 и SCR12 соединены с преобразователями SCR11 и SCR22 соединением DCL постоянного тока, которое содержит накопитель энергии в форме сверхпроводникового магнитного накопителя энергии. Напряжением преобразователей SCR11 иSCR12 является U1, и напряжением преобразователей SCR21 и SCR22 является U2. U1 и U2 регулируются обычным способом средствами управления (не показаны), соединенными с соответствующими им преобразователями. Ток Id проходит по соединению DCL постоянного тока 16 и через сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии. В системе, показанной на фиг. 4, U1U2=LdI/dt, что означает, что заряд и разряд сверхпроводникового магнитного накопителя энергии может управляться углами управления преобразователей. Один или оба преобразователя могут заряжать или разряжать сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии. При поддержании U1=U2 запас энергии сверхпроводникового магнитного накопителя энергии может не задействоваться. Фиг. 5 изображает такую же базовую высоковольтную систему, как и на фиг. 4. Однако на фиг. 5 сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии используется как накопительное устройство для сети N1 переменного тока и заряжается через преобразователи SCR11 иSCR12, когда выключатель S1 замкнут и выключатель S2 разомкнут. При заряде сверхпроводникового магнитного накопителя энергии ток, проходящий в катушке, может измеряться,и заряд продолжается, пока не будет достигнуто номинальное значение. Когда сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии полностью заряжен, выключатель S1 размыкается и выключатель S2 замыкается. Для питания сети N1,например, в случае потери мощности в сети выключатель S1 замыкается и выключатель S2 размыкается. В системе, показанной на фиг. 5, сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии является частью высоковольтной системы электропередачи с соединением постоянного тока. Устройство полюсного регулирования РСМ необходимо при подаче мощности в сеть N2. Фиг. 6 изображает высоковольтную систему, имеющую два управляемых напряжением преобразователя VSC1 и VSC2, которые соединены соединением постоянного тока в форме двойного провода ТС. Соединение постоянного тока является биполярным соединением, в котором конденсаторы С 11 и С 12 и конденсаторы С 21 и С 22 соответственно соединены с заземлением в точке их соединения. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии расположен на одном полюсе преобразователя VSC1. Также можно расположить сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии в форме провода как одну часть биполярного соединения постоянного тока. Хотя изобретение было описано с конкретными ссылками на сверхпроводниковый магнитный накопитель магнитной энергии,имеющий катушку для последовательного соединения с источником постоянного тока, изобретение также предназначено для включения в него соединения катушки с источником напряжения переменного тока. Термин "высокое напряжение", используемый в этом описании, означает напряжение до 800 кВ и даже выше. Сверхпроводниковый 17 магнитный накопитель энергии может соединяться с такими высоковольтными сетями с мощностями, достигающими 1000 МВ-А. При высоких напряжениях частичные разряды представляют серьезную проблему для известных изоляционных систем. Если в изоляции существуют трещины или поры, могут возникать внутренние коронные разряды, из-за чего изолирующий материал постепенно деградирует, что в конечном итоге приводит к пробою изоляции. Электрическая нагрузка на электрическую изоляцию сверхпроводящего средства сверхпроводникового магнитного накопителя энергии,соответствующего настоящему изобретению,уменьшена за счет того, что внутренняя часть электрической изоляции имеет, по существу,такой же электрический потенциал, как и сверхпроводящее средство, и что наружная часть электрической изоляции имеет регулируемый потенциал. Таким образом, электрическое поле распределяется, по существу, равномерно по толщине части электрической изоляции между внутренней и наружной частями. При наличии материалов для электрической изоляции с подобными тепловыми характеристиками и с незначительным количеством дефектов в слоях или частях возможность возникновения частичных разрядов уменьшается. Дополнительное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что, поскольку сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии работает под высоким напряжением,ток может быть уменьшен для заданной удельной мощности. Таким образом, если обычный сверхпроводниковый магнитный накопитель работает под напряжением 20 кВ, питаемый аналогичной мощностью сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии, соответствующий настоящему изобретению, может работать под напряжением 150 кВ благодаря уменьшению тока приблизительно в 7,5 раз. Поскольку сила магнитного поля в проводе пропорциональна току, умноженному на магнитную индукцию (В) поля, сила магнитного поля эффективно снижается приблизительно в 7,5 раз. Кроме того, количество расходуемого полупроводника в этом примере снижается приблизительно в 7,5 раз. Подобно этому, потери на охлаждение будут значительно уменьшены. Все эти факторы повышают экономическую привлекательность сверхпроводникового магнитного накопителя энергии. Настоящее изобретение не ограничивается высокотемпературной сверхпроводимостью. Вследствие сильного магнитного поля в сверхпроводниковом магнитном накопителе энергии низкотемпературные сверхпроводники все же остаются привлекательными, даже если они требуют применения криостатов, работающих при 1-15 К, в зависимости от типа используемого низкотемпературного сверхпроводника. Хорошо известные примеры основаны на ниобии, 002609 18 например NbTi, Nb3Sn и Nb3 Аl. Другими примерами являются V3Gа и Nb3Ge. Наиболее широко используемым сверхпроводником являетсяNbTi, который может применяться с плотностями магнитного поля приблизительно до 9 Т при 4,2 К (или 11 Т при 1,8 К). При больших плотностях магнитного поля NbTi не может применяться и заменяется Nb3Sn. Обозначения на чертежах Фиг. 3-фиг. 6. 1 - высоковольтная сеть; 2 - высоковольтная сеть; 3 - преобразующий трансформатор; 4 - преобразующий трансформатор; 5 - преобразующий трансформатор; 6 - преобразующий трансформатор; 7 - преобразователь; 8 - преобразователь; 9 - преобразователь; 10 - преобразователь; 11 - соединение постоянного тока; 12 - сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии; 13 - выключатель; 14 - выключатель; 15 - устройство полюсного регулирования; 16 - преобразователь; 17 - преобразователь; 18 - соединение постоянного тока; 19 - конденсатор; 20 - конденсатор; 21 - конденсатор; 22 - конденсатор. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии, содержащий катушку (1), последовательно соединенную с источником (2) напряжения, причем катушка (1) навита из сверхпроводящего проводника (12), имеющего сверхпроводящее средство (14) в виде слоя, которое при работе находится при криогенной температуре ниже критической температуры сверхпроводимости (Тс), окруженное электрической изоляцией (20-22), и устройство выключения (3) для короткого замыкания катушки (1),отличающийся тем, что указанная электрическая изоляция содержит внутренний слой (20) из полупроводящего материала, имеющий электрическое соединение с указанным сверхпроводящим средством, наружный слой (21) из полупроводящего материала с регулируемым электрическим потенциалом вдоль его длины и промежуточный слой (22) из массивного, обеспечивающего электрическую изоляцию материала,расположенный между указанными внутренним и наружным слоями (20 и 21). 2. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по п.1, отличающийся тем, что накопитель дополнительно содержит криостат(6), в который заключены катушка (1) и устройство выключения (3). 3. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по п.1 или 2, отличающийся тем,что указанное сверхпроводящее средство является высокотемпературным сверхпроводником. 4. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по п.3, отличающийся тем, что указанное высокотемпературное сверхпроводящее средство включает в себя, по меньшей мере,один слой (14) высокотемпературного сверхпроводника, охлаждающее средство (13) для криогенного охлаждения этого сверхпроводника(14) до температуры, которая ниже критической температуры сверхпроводимости (Тс) высокотемпературного сверхпроводника, и средство(15), обеспечивающее тепловую изоляцию и окружающее указанный слой (14) высокотемпературного сверхпроводника материала и охлаждающее средство (13). 5. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по п.4, отличающийся тем, что охлаждающее средство (13) содержит опорную трубку (13), в которой протекает криогенная охлаждающая жидкость, а, по меньшей мере,один слой (14) высокотемпературного сверхпроводящего материала содержит высокотемпературную ленту или проводники, намотанные спиральным слоем на указанную опорную трубку (13). 6. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по п.4 или 5, отличающийся тем,что средство (15), обеспечивающее тепловую изоляцию, выполнено в виде коаксиальной вакуумированной полости, окружающей сверхпроводник с размещенной в полости тепловой изоляцией (18). 7. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что полупроводящий наружный слой (21) имеет электрическое удельное сопротивление, составляющее от 1 до 1000 Омсм. 8. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по п.6, отличающийся тем, что указанный наружный слой (21) имеет электрическое удельное сопротивление, составляющее от 10 до 500 Омсм, предпочтительно от 10 до 100 Омсм. 9. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что сопротивление на единицу длины по оси полупроводящего наружного слоя(21) составляет от 5 до 50000 Омм-1. 10. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что сопротивление на единицу длины оси полупроводящего наружного слоя (21) составляет от 500 до 25000 Омм-1, предпочтительно от 2500 до 5000 Омм-1. 11. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что полупроводящий наружный 20 слой (21) контактирует при помощи проводящего средства с источником регулируемого электрического потенциала в разнесенных друг от друга участках вдоль его длины, причем соседние участки расположены достаточно близко друг к другу, чтобы напряжения в центральных точках между соседними участками контакта были недостаточны для возникновения коронных разрядов внутри средства, обеспечивающего электрическую изоляцию. 12. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что потенциал источника регулируемого электрического потенциала равен или близок к потенциалу заземления. 13. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что указанный промежуточный слой (22) находится в плотном механическом контакте с внутренним и наружным слоями (20 и 21). 14. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что указанный промежуточный слой (22) соединен с внутренним и наружным слоями (20 и 21). 15. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что прочность сцепления между указанным промежуточным слоем (22) и каждым из полупроводящих внутренним и наружным слоями (20 и 21) составляет такой же порядок, как и собственная прочность материала промежуточного слоя. 16. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по п.14 или 15, отличающийся тем, что указанные слои (20-22) соединены между собой при помощи экструзии. 17. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по п.16, отличающийся тем, что внутренний и наружный слои (20 и 21) полупроводящего материала и изолирующий промежуточный слой (22) нанесены совместно на сверхпроводящее средство при помощи многослойной экструзионной головки. 18. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-17, отличающийся тем, что указанный внутренний полупроводящий слой (20) выполнен из первого пластмассового материала, имеющего рассеянные в нем первые электропроводящие частицы,а указанный наружный полупроводящий слой(21) выполнен из второго пластмассового материала, имеющего рассеянные в нем вторые электропроводящие частицы, при этом указанный промежуточный слой (22) выполнен из третьего пластмассового материала. 19. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по п.18, отличающийся тем, что каждый из указанных первого, второго и третьего пластмассовых материалов представляет собой этиленбутилакрилатный сополимерный 21 каучук, этиленпропилендиеновый сополимерный каучук или этиленпропиленовый сополимерный каучук, полиэтилен низкой плотности,полиэтилен высокой плотности, полипропилен,полибутилен, полиметилбутилен, сетчатый полиэтилен, этиленпропиленовый каучук или кремнийорганический каучук. 20. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по п.18 или 19, отличающийся тем, что указанные первый, второй и третий пластмассовые материалы имеют, по меньшей мере, по существу, одинаковые коэффициенты теплового расширения. 21. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по пп. 18, 19 или 20, отличающийся тем, что указанные первый, второй и третий пластмассовые материалы являются одним и тем же материалом. 22. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по пп.1-13, отличающийся тем,что указанный внутренний слой содержит синтетическую пленку, намотанную перекрывающими друг друга слоями вокруг сверхпроводящего средства. 23. Сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что каждый из указанных слоев электрической изоляции выполнен, по меньшей мере, из одного материала на основе целлюлозы, синтетической бумаги или нетканого волокнистого материала, обмотанного или покрытого слоем синтетической пленки. 24. Система передачи электрической энергии, содержащая источник высокого напряжения и соединенный с ним сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии по любому из пп.1-23. 22 25. Высоковольтная система для накопления магнитной энергии от высоковольтной сети постоянного или переменного тока, содержащая сверхпроводниковый магнитный накопитель по любому из пп.1-23. 26. Высоковольтная система по п.25, отличающаяся тем, что она содержит высоковольтную сеть, а сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии непосредственно соединен с высоковольтной сетью без промежуточного трансформатора. 27. Высоковольтная система по п.26, отличающаяся тем, что высоковольтная сеть является высоковольтной сетью постоянного тока. 28. Высоковольтная система по п.27, отличающаяся тем, что высоковольтная сеть является высоковольтной сетью постоянного тока с напряжением, превышающим 10 кВ. 29. Высоковольтная система по п.26, отличающаяся тем, что сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии соединен с высоковольтной сетью переменного тока через преобразователь. 30. Высоковольтная система по п.27, отличающаяся тем, что она содержит несколько сетей переменного тока, соединенных через сеть постоянного тока и сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии, при этом сеть постоянного тока соединена с сетями переменного тока так, что сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии может снабжать мощностью сети переменного тока. 31. Высоковольтная система по п.27, отличающаяся тем, что сверхпроводниковый магнитный накопитель энергии является частью биполярного соединения постоянного тока.